Genome reconstruction and comparative genomics of pneumocystis jirovecii

Pneumocystis jirovecii is a fungus belonging to a basal lineage of the Ascomycotina, the Taphrinomycotina subphylum. It is a parasite specific to humans that dwells primarily in the lung and can cause severe pneumonia in individuals with debilitated immune system. Despite its clinical importance, many aspects of its biology remain poorly understood, at least in part because of the lack of a continuous in vitro cultivation system. The present thesis consists in the genome reconstruction and comparative genomics of P. jirovecii. It is made of three parts: (i) the de novo sequencing of P. jirovecii genome starting from a single broncho- alveolar lavage fluid of a single patient (ii) the de novo sequencing of the genome of the plant pathogen Taphrina deformans, a fungus closely related to P. jirovecii, and (iii) the genome scale comparison of P. jirovecii to other Taphrinomycotina members. Enrichment in P. jirovecii cells by immuno-precipitation, whole DNA random amplification, two complementary high throughput DNA sequencing methods, and in silico sorting and assembly of sequences were used for the de novo reconstruction of P. jirovecii genome from the microbiota of a single clinical specimen. An iterative ad hoc pipeline as well as numerical simulations was used to recover P. jirovecii sequences while purging out contaminants and assembly or amplification chimeras. This strategy produced a 8.1 Mb assembly, which encodes 3,898 genes. Homology searches, mapping on biochemical pathways atlases, and manual validations revealed that this genome lacks (i) most of the enzymes dedicated to the amino acids biosyntheses, and (ii) most virulence factors observed in other fungi, e.g. the glyoxylate shunt pathway and specific peptidases involved in the degradation of the host cell membrane. The same analyses applied to the available genomic sequences from Pneumocystis carinii the species infecting rats and Pneumocystis murina the species infecting mice revealed the same deficiencies. The genome sequencing of T. deformans yielded a 13 Mb assembly, which encodes 5,735 genes. T. deformans possesses enzymes involved plant cell wall degradation, secondary metabolism, the glyoxylate cycle, detoxification, sterol biosynthesis, as well as the biosyntheses of plant hormones such as abscisic acid or indole-3-acetic acid. T. deformans also harbors gene subsets that have counterparts in plant saprophytes or pathogens, which is consistent with its alternate saprophytic and pathogenic lifestyles. Mating genes were also identified. The homothallism of this fungus suggests a mating-type switching mechanism. Comparative analyses indicated that 81% of P. jirovecii genes are shared with eight other Taphrinomycotina members, including T. deformans, P. carinii and P. murina. These genes are mostly involved in housekeeping activities. The genes specific to the Pneumocystis genus represent 8%, and are involved in RNA metabolism and signaling. The signaling is known to be crucial for interaction of Pneumocystis spp with their environment. Eleven percent are unique to P. jirovecii and encode mostly proteins of unknown function. These genes in conjunction with other ones (e.g. the major surface glycoproteins) might govern the interaction of P. jirovecii with its human host cells, and potentially be responsible of the host specificity. P. jirovecii exhibits a reduced genome in size with a low GC content, and most probably scavenges vital compounds such as amino acids and cholesterol from human lungs. Consistently, its genome encodes a large set of transporters (ca. 22% of its genes), which may play a pivotal role in the acquisition of these compounds. All these features are generally observed in obligate parasite of various kingdoms (bacteria, protozoa, fungi). Moreover, epidemiological studies failed to evidence a free-living form of the fungus and Pneumocystis spp were shown to co-evolved with their hosts. Given also the lack of virulence factors, our observations strongly suggest that P. jirovecii is an obligate parasite specialized in the colonization of human lungs, and which causes disease only in individuals with compromised immune system. The same conclusion is most likely true for all other Pneumocystis spp in their respective mammalian host. - Pneumocystis jirovecii est un champignon appartenant à ine branche basale des Ascomycotina, le sous-embranchement des Taphrinomycotina. C'est un parasite spécifique aux humains qui réside principalement dans les poumons, et qui peut causer des pneumonies sévères chez des individus ayant un système immunitaire déficient. En dépit de son importance clinique, de nombreux aspects de sa biologie demeurent,largement méconnus, au moins en partie à cause de l'absence d'un système de culture in vitro continu. Cette thèse traite de la reconstruction du génome et de la génomique comparative de P. jirovecii. Elle comporte trois parties: (i) le séquençage de novo du génome de P. jirovecii à partir d'un lavage broncho-alvéolaire provenant d'un seul patient, (ii) le séquençage de novo du génome d'un champignon pathogène de plante Taphrina deformans qui est phylogénétiquement proche de P. jirovecii, et (iii) la comparaison du génome de P. jirovecii à celui d'autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Un enrichissement en cellules de P. jirovecii par immuno-précipitation, une amplification aléatoire des molécules d'ADN, deux méthodes complémentaires de séquençage à haut débit, un tri in silico et un assemblage des séquences ont été utilisés pour reconstruire de novo le génome de P. jirovecii à partir du microbiote d'un seul échantillon clinique. Un pipeline spécifique ainsi que des simulations numériques ont été utilisés pour récupérer les séquences de P. jirovecii tout en éliminant les séquences contaminants et les chimères d'amplification ou d'assemblage. Cette stratégie a produit un assemblage de 8.1 Mb, qui contient 3898 gènes. Les recherches d'homologies, de cartographie des voies métaboliques et des validations manuelles ont révélé que ce génome est dépourvu (i) de la plupart des enzymes dédiées à la biosynthèse des acides aminés, et (ii) de la plupart des facteurs de virulence observés chez d'autres champignons, par exemple, le cycle du glyoxylate ainsi que des peptidases spécifiques impliquées dans la dégradation de la membrane de la cellule hôte. Les analyses appliquées aux données génomiques disponibles de Pneumocystis carinii, l'espèce infectant les rats, et de Pneumocystis murina, l'espèce infectant les souris, ont révélé les mêmes déficiences. Le séquençage du génome de T. deformans a généré un assemblage de 13.3 Mb qui contient 5735 gènes. T. deformans possède les gènes codant pour les enzymes impliquées dans la dégradation des parois cellulaires des plantes, le métabolisme secondaire, le cycle du glyoxylate, la détoxification, la biosynthèse des stérols ainsi que la biosynthèse d'hormones de plantes telles que l'acide abscissique ou l'acide indole 3-acétique. T. deformans possède également des sous-ensembles de gènes présents exclusivement chez des saprophytes ou des pathogènes de plantes, ce qui est consistent avec son mode de vie alternatif saprophyte et pathogène. Des gènes impliqués dans la conjugaison ont été identifiés. L'homothallisme de ce champignon suggère mécanisme de permutation du type conjuguant. Les analyses comparatives ont démontré que 81% des gènes de P. jirovecii sont présent chez les autres membres du sous-embranchement des Taphrinomycotina. Ces gènes sont essentiellement impliqués dans le métabolisme basai. Les gènes spécifiques au genre Pneumocystis représentent 8%, et sont impliqués dans le métabolisme de l'ARN et la signalisation. La signalisation est connue pour être cruciale pour l'interaction des espèces de Pneumocystis avec leur environnement. Les gènes propres à P. jirovecii représentent 11% et codent en majorité pour des protéines dont la fonction est inconnue. Ces gènes en conjonction avec d'autres (par exemple, les glycoprotéines de surface), pourraient être déterminants dans l'interaction de P. jirovecii avec les cellules de l'hôte humain, et être potentiellement responsable de la spécificité d'hôte. P. jirovecii possède un génome de taille réduite à faible pourcentage en GC et récupère très probablement des composés vitaux comme les acides aminés et le cholestérol à partir des poumons humains. De manière consistante, son génome code pour de nombreux transporteurs (22% de ses gènes), qui pourraient jouer un rôle essentiel dans l'acquisition de ces composés. Ces caractéristiques sont généralement observées chez les parasites obligatoires de plusieurs règnes (bactéries, protozoaires, champignons). De plus, les études épidémiologiques n'ont pas réussi à prouver l'existence d'ime forme vivant librement du champignon. Etant donné également l'absence de facteurs de virulence, nos observations suggèrent que P. jirovecii est un parasite obligatoire spécialisé dans la colonisation des poumons humains, ne causant une maladie que chez des individus ayant un système immunitaire compromis. La même conclusion est très probablement applicable à toutes les autres espèces de Pneumocystis dans leur hôte mammifère respectif.

Analyse de modèles murins adultes de régénération cardiaque

Résumé Le mammifère adulte possède des capacités de régénération tissulaire beaucoup plus limitées que celles des mammifères à l'âge foetal, ou d'autres vertébrés adultes comme les amphibiens urodèles et anuriens. Le mode de réparation tissulaire généralement utilisé par le mammifère adulte est la cicatrisation. Celle-ci suit un déroulement physio-pathologique très reproductible, qui a été le mieux décrit dans la peau, mais est également applicable à d'autres tissus comme le coeur en cas d'infarctus. Toutefois, le coeur de mammifère adulte semble posséder un certain potentiel régénérateur, bien qu'insuffisant pour réparer une lésion d'infarctus; en particulier, il contient des populations de cellules exprimant des marqueurs de surface des cellules souches hématopoiétiques comme l'antigène de cellules souches (stem cell antigen; Sca-1) ou le récepteur pour le facteur de cellules souches (stem cell factor; SCF), c-kit. Le comportement de ces cellules ressemble à de nombreux égards à celui de cellules souches adultes résidentes. D'autre part, un modèle mammifère adulte de régénération tissulaire, la souris NIRL, a été décrit ,récemment ; si cette souris répare. l'infarctus ischémique du ventricule gauche par cicatrisation, elle est par contre capable de régénérer complètement le myocarde après cryoinfarctus du ventricule droit, sans former la moindre cicatrice. Le but de cette thèse a été l'exploration par différentes approches des potentiels régénérateurs cardiaques après infarctus chez le mammifère adulte. La première approche choisie a été l'étude de la régénération myocardique chez la souris MRL. Il s'agissait de comprendre pourquoi la souris MRL régénère le coeur après cryoinfarctus du ventricule droit, et pas après infarctus ischémique du ventricule gauche, ainsi que d'élucider les mécanismes à la base de la régénération cardiaque chez cette souris. En utilisant le protocole original d'infarctus cryogénique du ventricule droit, nous n'avons pas observé de régénération cardiaque chez la souris MRL, qui a réparé l'infarctus par cicatrisation.- Nous avons ensuite modifié la sévérité du stimulus cryogénique, la localisation de la lésion cardiaque, et le type de lésion lui-même (infarctus ischémique induit par ligature coronarienne). En théorie, ces aspects expérimentaux sont les principaux facteurs pouvant influencer la réparation tissulaire. En utilisant cinq protocoles expérimentaux différents, nous n'avons pas observé de régénération cardiaque chez la souris MRL. Nous avons également analysé la prolifération cellulaire dans trois régions différentes du coeur à 15 et 40 jours après infarctus, et n'avons pas observé de différence entre la souris MRL et la souris contrôle C57B1/6. Quant à la composition en collagène de la cicatrice, elle est la même chez les deux souches de souris. Nos résultats ne peuvent donc pas confirmer la validité de ce modèle marin de régénération cardiaque récemment publié. Nous nous sommes alors tournés vers une deuxième approche d'étude du potentiel régénérateur du coeur de mammifère adulte, celle des cellules souches adultes résidentes. Nous avons isolé et purifié la population de cellules cardiaques qui expriment le marqueur de surface Sca-1 ;nous les avons maintenues en cultures pendant plusieurs dizaines de passages, et les avons ré-injectées dans le myocarde. Cette deuxième approche .ouvre la voie à l'étude de cellules souches cardiaques adultes candidates, ainsi qu'à la thérapie cellulaire de l'infarctus du myocarde. Summary Adult mammals possess limited tissue regeneration capacities as compared to foetal mammals or other adult vertebrates such as anurian and urodele amphibians. Usually, adult mammals heal tissues by scarring. The process of scarring is characterized by physiopathological events which have been best studied in skin; but which also occur in other organs like the heart. Nevertheless, the adult mammalian heart seems to possess a certain regenerative potential, though insufficient to efficiently repair infarct lesions. It indeed contains cell populations expressing haematopoietic stem cell surface markers such as Scat or c-kit. These cells behave in many ways like resident adult. stem cells. On the other hand; an adult mammalian model of tissue regeneration, the MRL mouse, has been recently described; although this mouse repairs an ischemic infarct of the left ventricle by scarring, it is able of fully regenerating a cryoinfarction of the right ventricle without scanning . The goal of this thesis was to explore the regenerative potential of the adult mammalian heart after infarction by using different approaches. A first approach was to study the myocardial regeneration in the MRL mouse. It was about understanding why this mouse regenerates a right ventricular cryoinfarction and not an ischemic infarction of the left ventricle, as well as elucidating the mechanisms underlying myocardial regeneration in this model. By using the original protocol of right ventricular cryoinfarction, we did not observe any heart regeneration in the MRL mouse, which healed the infarct by scarring. We then modified the intensity of the cryogenic stimulus, the site of lesion, and -the type of lesion itself (ischemic infarction by coronary artery ligation). In theory, these experimental aspects are the main factors likely to influence tissue repair. Although. we used five different protocols, we did not observe any regeneration in the MRL mouse. We also analysed cell proliferation in three different regions of the heart, at 15 and 40 days after infarction, and did not see any difference between the MRL and C57B1/6 mouse. Collagen content of the scar was shown to be the same in both strains. Our results cannot confirm the validity of this recently published model. We then chose another way to study the adult mammalian heart regenerative potential, by taking the adult resident stem cells approach. We isolated and purified a cardiac cell population expressing the Sca-1 surface marker; we kept these cells in culture for over 30 passages, and re-injected them into the myocardium. This second approach opens the way to candidate adult cardiac stem cell study, as well as cell therapy.

La quête du consentement éclairé en médecine comme construction sociale [The application of informed consent in medicine as social construction].

The aim of this article is to propose an anthropological point of view about informed consent in medicine. This quest for legitimacy should be read as a relational and social construction. In the heart of clinical complexity we find on one side various techniques employed by the medical community to validate research and to obtain the consent of patients. On the other side patients offer plural and subjective answers due to the doctor patient hierarchical and long relationship. Between constraints and freedoms, informed consent brings to light social relation.